cìååíáçåéäé=ã~öåéíáëåüé=êéëçå~åíáéäééäçîçêãáåö=î~å= ÇÉ=ÜÉêëÉåÉå

Transcriptie

1

2 cìååíáçåéäé=ã~öåéíáëåüé=êéëçå~åíáéäééäçîçêãáåö=î~å= ÇÉ=ÜÉêëÉåÉå gçøääé=dbboqp éêçãçíçê=w aêk=g~å=s^kabsbkkbi=mêçñk=çêk=hççë=s^k= wtfbqbk = báåçîéêü~åçéäáåö=îççêöéçê~öéå=íçí=üéí=äéâçãéå=î~å=çé=öê~~ç= j~ëíéê=áå=çé=äáçãéçáëåüé=ïéíéåëåü~éééå=~ñëíìçééêêáåüíáåö= âäáåáëåüé=éå=ãçäéåìä~áêé=ïéíéåëåü~éééå

3 Inhoudsopgave Woordenlijst...3 Voorwoord...4 Samenvatting Algemene inleiding Functionele anatomie van de hersenen Cerebrale cortex Motorische gebieden Sensorische gebieden Taalgebieden Functionele magnetische resonantiebeeldvorming Bold f-mri BOLD hemodynamische respons Functionele magnetische resonantiebeeldvorming voor preoperatieve lokalisatie van eloquente hersenzones ten opzichte van hersentumoren: klinische implementatie en patiëntenstudie Inleiding Materiaal en methode Het f-mri-experiment: hardware set up Het f-mri- experiment: MR-sequenties Het f-mri-experiment: standaard paradigma's Het f-mri-experiment: patiëntvoorbereiding De postprocessing of de verwerking van de data in Brainvoyager QX Klinische implementatie en onderzochte patiënten Resultaten Overzicht van de resultaten in de hele patiëntengroep Patiënten met een letsel ter hoogte van de motorische cortex Patiënten met een letsel ter hoogte van de zone van Broca Patiënt met letsel ter hoogte van de visuele cortex Patiënt met letsel ter hoogte van de zone van Wernicke Discussie Conclusie Verschil in lateralisatie van de zone van Broca bij mannen versus vrouwen Inleiding Materiaal en methode

4 5.2.1 Patiënten, f-mri-taak en onderzoek Selecteren van de geactiveerde gebieden met behulp van de ROI-analyse Vergelijking van de lateralisatie van de zone van Broca met behulp van visuele interpretatie Vergelijking van de lateralisatie met behulp van de two-sample Wilcoxon Rank Sum test Resultaten Discussie Conclusie Visualisatie van de zone van Wernicke: semantische beslissingstaak versus woordvindingoefening Inleiding Materiaal en methode Creatie van de semantische beslissingstaak Onderzochte personen en f-mri-experiment Vergelijking van de woordvindingoefening en de semantische beslissingstaak met behulp van de Talairachruimte Resultaten Sensitiviteit van de woordvindingoefening versus de semantische beslissingstaak Lateralisatie van de zone van Broca en de zone van Wernicke Verschil in lokalisatie van de zone van Wernicke bij beide stimulatieprotocols Discussie Conclusie...56 Literatuurlijst...57 Addendum 1: Handleiding Brainvoyager...60 Addendum 2: Magnetisch resonantie beeldvormingsprincipe...64 Addendum 3: Gebieden van Brodmann

5 Woordenlijst o Amaurosis fugax: in aanvallen optredende, kortstondige blindheid aan één oog o Angiografie: beeldvorming van bloedvaten o Anopsie: het buiten gebruik zijn van het netvlies van één der ogen o Arterioveneuze malformatie: bloedvatkluwen gekenmerkt door arteriële aanvoerende vaten in directe verbinding met veneuze afvoerende vaten o Angioom: goedaardig vaatgezwel, dat soms kan bloeden o Dura mater: het buitenste der drie hersenvliezen of harde vlies o Dysplasie: abnormale groei en vorming van weefsel o Embolisatie: het afsluiten van een bloedvat door inbrengen van een bepaalde substantie om de doorbloeding van een vaatrijk gebied te verminderen, ofwel om een bloedend vat of een arterioveneuze fistel te sluiten o Fatisch: met betrekking tot de spraak o Gap juncties: verbinding tussen twee aangrenzende cellen die op de contactplaats een zeer nauwe spleet vormen; deze spleet wordt overbrugd door tunneleiwitten (kanaaltjes) die ionen en kleine moleculen kunnen laten passeren (voortgeleiding van elektrische prikkels) o Glioma: gezwel bestaande uit woekerend steunweefsel van de hersenen (astrocyten, oligodendrogliomen) o Glioblastoma: een gezwel uitgaande van neurogliacellen (het steunweefsel van het zenuwstelsel, bestaande uit gliavezels welke de uitlopers zijn van de gliacellen) o Kwandrantanopsie: verzwakt gezichtsvermogen van een kwart van het netvlies o Meningeoom: langzaam groeiend, morfologisch goedaardig, vaatrijk gezwel, meestal uitgaand van het arachnoïd (spinnenwebvlies = middenste hersenvlies) o Orbita: oogkas o Parafrasie: verkeerd spreken o Parese: onvolledige verlamming, zwakte van de beweging o Pia mater: binnenste of zachte vlies; hersenvlies dat direct aansluit op het corticale oppervlak van de hersenen o Vertigo: evenwichtsstoornissen gepaard gaande met misselijkheid o Pleiomorf xantho-astrocytoma: bepaald type gezwel in de hersenen 3

6 Voorwoord Voor het behalen van het master diploma in de biomedische wetenschappen koos ik, om een scriptie te schrijven over functionele magnetische resonantie beeldvorming (f-mri) van de hersenen, een voor mij compleet nieuwe materie. Dit was mogelijk omdat ik mijn stage mocht doen in het ziekenhuis Oost-Limburg (ZOL), waar ze al een degelijke ervaring hadden over het door mij gekozen onderwerp. Graag wil ik dan ook Prof. Dr. Palmers, diensthoofd van de afdeling medische beeldvorming in het ZOL, bedanken voor de toelating om op deze afdeling mijn stage te voltooien. Deze stage was interessant en zeer leerrijk. Hier werd me duidelijk dat f-mri een zeer belangrijke rol speelt voor het welzijn en het comfort van patiënten met hersentumoren en dat f-mri verder een belangrijke meerwaarde biedt op experimenteel vlak. Hiervoor dank ik in het bijzonder mijn promotor Dr. Jan Vandevenne voor de uitstekende begeleiding, zijn enthousiasme, de kansen en vooral het vertrouwen dat hij gedurende de stageperiode in mij heeft gehad. Prof. Koos Jaap Van Zwieten, mijn interne promotor, wil ik bedanken voor de extra begeleiding en zijn interesse in het door mij gekozen project. Dank aan Herwig Rogiers en David Smets omdat ze me de praktijk van het f-mri-onderzoek aangeleerd hebben. En aan Armin Heinicke, die mij doorheen de cursus van het software programma Brainivoyager QX geleid heeft, welk van groot belang was voor het verwerken van de beelden. Bedankt Inge Zeeuws voor je inbreng om met behulp van E-prime, een nieuw stimulatieprotocol te creëren. Frauke Beckers, Luc Schepers, Ellen Thys en Eric Verschuren bedank ik, omdat ze voor twee van mijn studies een f-mri-onderzoek ondergingen. Mevrouw Carine Jacobs wil ik bedanken voor haar hulp bij het verbeteren van deze scriptie. Het personeel van de dienst Medische Beeldvorming in het ZOL ben ik zeer dankbaar voor de uiterst aangename werksfeer. En alle namen die ik eventueel vergeten ben en mij toch hard geholpen hebben, hartelijk dank. Tenslotte wil ik nog graag mijn ouders danken voor hun steun en geduld tijdens mijn studieperiode. 4

7 Samenvatting Deze scriptie bestond uit drie studies in verband met functionele magnetische resonantie beeldvorming (f-mri). Studie 1: Functionele magnetische resonantiebeeldvorming voor preoperatieve lokalisatie van eloquente hersenzones ten opzichte van hersentumoren: klinische implementatie en patiëntenstudie Het doel van deze studie was de implementatie van f-mri voor klinisch gebruik bij patiënten met een hersentumor. Drieëntwintig patiënten ondergingen een f-mri-onderzoek als preoperatieve oppuntstelling van een tumoraal letsel in de nabijheid van een eloquent hersengebied. De ligging van de tumor ten opzichte van de f-mri-activatiezone representatief voor dit eloquent hersengebied werd bepaald. De postoperatieve toestand van de patiënten werd vergeleken met het resultaat van het f-mri-onderzoek. Van de drieëntwintig patiënten hadden vier patiënten een niet interpreteerbaar (en dus klinisch niet bruikbaar resultaat). Bij negen patiënten toonde het f-mri-onderzoek aan dat het eloquente hersengebied voldoende ver (>2cm) verwijderd was van de tumor, waardoor een volledige resectie mogelijk was. Zeven van deze negen patiënten hadden geen postoperatieve deficieten in de eloquente hersengebieden. Eén patiënt toonde tijdelijke postoperatieve problemen en één patiënt werd nog niet geopereerd. Bij de overige tien patiënten bevond het eloquente hersengebied zich op minder dan twee centimeter van de tumor, waardoor slechts een partiële resectie van de tumor kon uitgevoerd worden. Zes van de tien patiënten hadden geen neurologische problemen. Drie patiënten vertoonden postoperatief tijdelijk of blijvende neurologische problemen. Bij één patiënt werd beslist niet te opereren. Klinische implementatie van f-mri was belangrijk voor de preoperatieve evaluatie van patiënten met een hersentumor. Studie 2: Verschil in lateralisatie van de zone van Broca bij mannen versus vrouwen Het doel van deze studie was te evalueren met behulp van f-mri of er een verschil is in de lateralisatie van de zone van Broca (motorische spraakregio) bij vrouwen versus mannen. In deze studie werden zeven rechtshandige vrouwen en zeven rechtshandige mannen geïncludeerd. Er werd gebruik gemaakt van de woordvindingoefening. De two-sample Wilcoxon rank sum test toonde op het 0.05 significantie niveau aan dat er een verschil was in de lateralisatie van de zone van Broca tussen mannen en vrouwen. Deze spraakzone was bij vrouwen minder sterk naar links gelateraliseerd dan bij mannen. Hieruit kon besloten worden dat vrouwen mogelijk een vlotter en completer herstel hebben van de motorische spraakfunctie bij een letsel in de zone van Broca aan de linkerzijde. Studie 3: Visualisatie van de zone van Wernicke: semantische beslissingstaak versus woordvindingoefening Het doel van deze f-mri-studie was een hogere sensitiviteit te bereiken voor de visualisatie van de anatomisch onscherp omschreven zone van Wernicke. Een specifiek stimulatieprotocol (semantische beslissingstaak) werd aangemaakt en vergeleken met de woordvindingoefening in zes personen. Beide stimulatieprotocols waren even sensitief voor de visualisatie van de zone van Wernicke, maar er was een verschil in de lateralisatie en specifieke lokalisatie van de activatiezones. De semantische beslissingstaak was een klinisch bruikbaar paradigma voor de visualisatie van de zone van Wernicke, waarbij de zone van Wernicke zowel qua lateralisatie als lokale uitbreiding vollediger kon worden gevisualiseerd. 5

8 1 Algemene inleiding Functionele magnetische resonantie beeldvorming (f-mri) heeft als doel de anatomische plaats van een bepaalde hersenactiviteit te lokaliseren. Deze beeldvormingstechniek is gebaseerd op veranderingen in de bloeddoorstroming en de zuurstofconcentratie die eenzelfde tijdsverloop hebben als de opgelegde motorische taken, visuele taken of taalopdrachten uitgevoerd door de patiënt in de magnetische resonantie (MR) eenheid. F-MRI werd tot nu toe vooral in universitaire centra toegepast voor onderzoeksdoeleinden, maar gezien het groeiende klinisch gebruik van f-mri wordt een implementatie van deze recente techniek ook in niet-universitaire ziekenhuizen noodzakelijk. Mede dankzij deze scriptie is deze klinische implementatie nu, als één van de eerste niet-universitaire ziekenhuizen in België, een feit in het Ziekenhuis Oost-Limburg te Genk. Om deze scriptie te realiseren werd het principe van MR-beeldvorming en van f-mri, en de relevante anatomie en functionele anatomie van de hersenen ingestudeerd. Een tweedaagse cursus van het software programma Brainvoyager QX werd gevolgd in Maastricht voor het aanleren van de postprocessing bij f-mri. Deze verworven kennis werd weergegeven in de literatuurstudie in het begin van de scriptie en in de addenda, werd toegepast in de praktijk bij het zelfstandig uitvoeren van de f-mri-onderzoeken bij patiënten, en werd doorgegeven tijdens meerdere voordrachten. De hoofdopdracht van deze scriptie betrof de klinische toepassing van f-mri-onderzoeken bij patiënten met een hersentumor. F-MRI is bij deze patiënten een belangrijk element in de preoperatieve evaluatie, waaronder het bepalen van de operabiliteit, van de chirurgische benadering van de tumor en van het risico op postoperatieve neurologische deficieten. Vervolgens waren er twee bijkomende studie opdrachten met betrekking tot de taalfunctie van de hersenen. Op basis van de verzamelde data bij de hoger vermelde patiënten en bij vrijwilligers werd een wetenschappelijke studie uitgevoerd in verband met de motorische spraakregio (zone van Broca). De interesse ging uit naar het verschil tussen mannen en vrouwen wat betreft het gebruik van de linker- en/of de rechterhemisfeer voor deze hersenfunctie. Tenslotte bleek bij de klinische implementatie van f-mri een onvoldoende visualisatie van de sensorische spraakregio (zone van Wernicke). De semantische beslissingstaak werd ingevoerd en vergeleken met de standaard uitgevoerde woordvindingoefening wat betreft visualisatie van deze hersenfunctie. 6

9 2 Functionele anatomie van de hersenen In onderstaande tekst wordt het anatomisch substraat voor de functionele organisatie van de hersenen besproken, waarbij specifiek in deze thesis de corticale regio's, verantwoordelijk voor de functies die bestudeerd werden toegelicht worden. Het centraal zenuwsysteem bestaat uit de hersenen en het ruggenmerg. De volwassen hersenen zijn opgebouwd uit twee cerebrale hemisferen, het diencephalon, de hersenstam (middenhersenen, pons en medulla) en het cerebellum (zie figuur 1) (1). Figuur 1: Structuur van de hersenen (URL: De cerebrale hemisferen bevatten ongeveer 83% van de totale hersenmassa. Hun oppervlak bestaat uit verhoogde plooien weefsel of corticale gyri, die gescheiden worden door ondiepe groeven of corticale sulci. De diepere groeven of fissuren scheiden grote regio s van de hersenen. De middelste longitudinale fissuur bevat de falx cerebri en zorgt voor de scheiding van de twee cerebrale hemisferen, terwijl de transverse cerebrale fissuur het tentorium bevat en het cerebellum van de cerebrale hemisferen scheidt. Sommige sulci verdelen elke cerebrale hemisfeer in vier hoofdlobben: de frontale, pariëtale, temporale en occipitale lob. De rolandische of centrale sulcus scheidt de frontale lob van de pariëtale lob. Anterieur van de centrale sulcus bevindt zich de precentrale gyrus en achter deze sulcus ligt de postcentrale gyrus. De occipitale lob wordt gescheiden van de pariëtale lob door de parieto-occipitale sulcus. De diepe laterale sulcus tenslotte lijnt de temporale lob af en scheidt deze van de bovenliggende pariëtale en frontale lob (zie figuur 2) (1). 7

10 Centrale of rolandische sulcus Frontale lob Pariëtale lob Laterale sulcus Parieto-occipitale sulcus Temporale lob Occipitale lob Figuur 2: Lobben en sulci van de cerebrale hemisferen De insula zit diep begraven in de laterale sulcus en wordt bedekt door delen van de temporale, pariëtale en frontale lobben, het zogenaamde frontale, pariëtale en temporale operculum (1). Elke hemisfeer bestaat uit drie basisregio's: de grijze stof of de cortex, de witte stof en de basale ganglia (1). Aangezien bij het functionele magnetische resonantie beeldvorming (f- MRI) onderzoek, dat beschreven wordt in deze thesis, enkel functies gelokaliseerd in de cerebrale cortex bestudeerd worden, zal er niet dieper ingegaan worden op de witte stof en de basale ganglia. 2.1 Cerebrale cortex De cerebrale cortex zorgt ervoor dat men in staat is bewust te zijn van zichzelf en zijn gevoelens; dat men kan communiceren, herinneren, begrijpen en vrijwillige bewegingen uitvoeren. De cerebrale cortex is opgebouwd uit grijze stof, en bestaat uit cellichamen, dendrieten en niet-gemyeliniseerde axonen van neuronen. Op basis van de variaties in dikte en structuur van de cerebrale cortex kan de cortex ingedeeld worden in tweeënvijftig corticale gebieden volgens Brodmann (zie tabel 1 in addendum 3) (1). Deze Brodmanngebieden komen ongeveer overeen met de functionele organisatie van de hersenen (2). Het is belangrijk te onthouden dat, ook al is er grote symmetrie in de structuur, de twee hemisferen niet volledig gelijk zijn in functie. Er is dus lateralisatie van de corticale functies (1). Er zijn drie groepen corticale gebieden die instaan voor de verschillende functies, namelijk de corticale motorische gebieden, de corticale sensorische gebieden en de corticale taalgebieden. 8

11 Enkel het anatomisch substraat van de functionele gebieden en subgebieden die bestudeerd worden in deze thesis, worden hier verder besproken Motorische gebieden De motorische gebieden liggen in het posterieure deel van de frontale lobben en zijn verantwoordelijk voor de controle van vrijwillige bewegingen (1). Er zijn drie belangrijke cerebrale corticale gebieden die betrokken zijn in de motorische controle, namelijk het primaire motorische gebied, het supplementaire motorische gebied, en de premotorische gebieden (3). De primaire motorische cortex is gelokaliseerd in de precentrale gyrus van de frontale lob van elke hemisfeer (Brodmanngebied 4) (zie figuur 3) (1,3). Grote neuronen in deze gyri, pyramidale cellen genoemd, zorgen voor de bewuste controle van precieze vrijwillige bewegingen van onze skeletspieren. Hun lange axonen vormen belangrijke witte-stofbanen, de pyramidale banen, die geprojecteerd worden naar het ruggenmerg (1). De motorische bezenuwing van het lichaam is contralateraal, dit wil zeggen dat de linker primaire motorische gyrus de spieren aan de rechterkant van het lichaam controleert en omgekeerd. De verschillende lichaamsdelen worden precies, maar onevenredig weergegeven in deze gyrus. Dit wil zeggen dat er meer neuronen in de precentrale gyrus verantwoordelijk zijn voor het controleren van spieren met een zeer precieze motorische controle, zoals het gezicht, de tong en de handen. Deze lichaamsdelen worden in de motorische homunculus groter weergegeven dan andere lichaamsdelen (zie figuur 4) (1,3). Figuur 3: Anatomische localisatie van de verschillende motorgebieden (URL: 9

12 Figuur 4: De motorische homunculus (URL: Het supplementaire motorische gebied is gelokaliseerd op het mediale oppervlak van de frontale lob, anterieur van de mediale uitbreiding van de primaire motorische cortex (in het mediaal gedeelte van het Brodmanngebied 6) (zie figuur 3). Dit gebied is belangrijk voor het uitvoeren van simpele motorische taken als een compensatiemechanisme wanneer de primaire motorische cortex beschadigd is. Dit gebied speelt eveneens een cruciale rol in de temporale organisatie van bewegingen, vooral in de sequentiële uitvoering van veelvoudige bewegingen en bij motorische taken die berusten op het motorisch geheugen (3). Het premotorische gebied is gelokaliseerd in de frontale lob juist anterieur van het primaire motorgebied (Brodmanngebied 6) (zie figuur 3). Dit gebied is betrokken bij vrijwillige motorische bewegingen die afhankelijk zijn van sensorische inputs (visueel, auditief en somatosensorisch). Het kan zijn invloed op bewegingen indirect uitoefenen via het primaire motorische gebied of direct door zijn projecties naar de pyramidale en extrapyramidale systemen (3) Sensorische gebieden De sensorische gebieden zorgen voor het bewustzijn van de prikkels, opgevangen door de zintuigen. Ze komen voor in de pariëtale, temporale en occipitale lobben. Er bestaan zes primaire sensorische gebieden: het primaire somatosensorische gebied, het primaire visuele gebied, het primaire auditieve gebied, het primaire olfactorische (reuk) gebied, het primaire gustatorische (smaak) gebied en het primaire vestibulaire (evenwicht) gebied (1,4). In deze thesis werd enkel de visuele cortex door middel van f-mri onderzocht. 10

13 De visuele cortex bestaat niet alleen uit het primaire visuele gebied, maar ook uit de visuele associatiegebieden. Het primaire visuele gebied is gelegen posterieur in de occipitale lob en is voor een groot deel begraven in de sulcus calcarinus, ook calcarine fissuur genoemd (Brodmanngebied 17) (zie figuur 5). Het ontvangt input via witte-stofbanen, afkomstig van de ipsilaterale helft van elke retina, die informatie ontvangt over de controlaterale helft van het gezichtsveld (1,4). Het visuele associatiegebied ligt rondom de primaire visuele cortex en bedekt een groot deel van de occipitale lob (Brodmanngebied 18 en 19 op de laterale en mediale aspecten van de occipitale lob) (zie figuur 5). Door te communiceren met de primaire visuele cortex, gebruikt het visueel associatiegebied visuele ervaringen om visuele stimuli te interpreteren (1). Parieto-occipitale fissuur Visuele associatie cortex (gebied 18 & 19) Calcarine fissuur Primaire visuele cortex (gebied 17) Figuur 5: Primaire visuele cortex & visuele associatie cortex (Hendelman WJ. Section B: Functional systems, Part1: Vision. Atlas of functional neuroanatomy, second edition. U.S.A: Taylor & Francis group; p.111) Taalgebieden Het neuronale systeem voor taal bestaat uit verschillende gebieden. De meeste componenten van dit systeem zijn gelokaliseerd in de linkerhemisfeer. Deze hemisfeer is de dominante hemisfeer voor taal in vijfennegentig procent van de mensen. De belangrijkste corticale taalgebieden zijn de zone van Broca en de zone van Wernicke. Deze twee gebieden zijn verbonden via een lange associatie witte-stofbundel, de fasciculus arcuatus (5). De zone van Broca is gelegen in het posterieure deel van de gyrus triangularus (Brodmanngebied 45) en de naburige gyrus opercularus (Brodmanngebied 44) in de gyrus frontalis inferior van de dominante hemisfeer (zie figuur 6) (5). Het is een motorisch spraakgebied dat de spieren controleert die betrokken zijn bij de spraakproductie (1). De zone 11

14 van Broca is niet alleen verbonden met de zone van Wernicke, maar ook met het supplementaire motorische gebied. Dit gebied is verantwoordelijk voor de initiatie van de spraak (5). Centrale Frontale oogveld (gebied 8) Precentrale gyrus (gebied 4) fissuur Postcentrale Gyrus (gebied 3, 1, 2) Gyrus supramarginalis Gyrus angularis Parieto-occipitale fissuur Cerebellum Zone van Broca Laterale fissuur Zone van Wernicke Figuur 6: De zone van Broca & Wernicke (Hendelman WJ. Section A: Orientation. Atlas of functional neuroanatomy, second edition. U.S.A: Taylor & Francis group; p. 43) De zone van Wernicke omvat een uitgebreide regio die, in tegenstelling tot de zone van Broca, niet goed aflijnbaar is. Deze uitgebreide regio bestaat uit het posterieure deel van de gyrus temporalis superior (Brodmanngebied 22) inclusief diep in de sylvische fissuur of laterale sulcus, en het parietoocipitotemporal junctiegebied, inclusief de gyrus angularis (Brodmanngebied 39) (zie figuur 6) (7). Deze zone is ondermeer verantwoordelijk voor het begrijpen van gesproken en geschreven taal (1). 12

15 3 Functionele magnetische resonantiebeeldvorming Functionele magnetische resonantiebeeldvorming (f-mri) is een magnetische resonantie (MR)-beeldvormingstechniek die gebruik maakt van standaard MR-scanners om veranderingen in het functioneren van de hersenen te onderzoeken. De veranderingen in hersenfunctie die optreden gedurende een bepaalde tijdsperiode en in relatie met het uitvoeren van een bepaalde taak worden gedetecteerd en gelokaliseerd. Ze trachten dus hersengebieden die geactiveerd worden bij het uitvoeren van bepaalde functies anatomisch te lokaliseren. 3.1 Bold f-mri Bij functionele neuro-beeldvormingsmethoden is het vaak niet de neuronale activiteit op zichzelf, maar de metabolische vraag van de actieve neuronen die gemeten wordt. Energie is vereist voor het behoud en het herstel van de neuronale membraanpotentialen die noodzakelijk zijn voor de integratie en signalering van de neuronen. De integratie is het verzamelen van inputs van andere neuronen door dendrietische of somatische verbindingen. De signalering is het doorzenden van het resultaat van het integratief proces van één neuron naar een ander neuron. Zelfs een kleine toename in neuronale activiteit kan leiden tot een sterke stijging in de metabolische vraag. Omdat er slechts een geringe energieopslag in de hersenen aanwezig is, is het noodzakelijk dat de energie continu voorzien wordt door de bloedtoevoer naar de hersenen. De primaire energiebronnen zijn glucose en zuurstof. Ze worden gebruikt voor de productie van adenosine trifosfaat (ATP) in de hersencellen (6). Het transport van zuurstof naar de lichaamscellen gebeurt met behulp van hemoglobine. Dit is een ijzerhoudend zuurstofbindend macromolecule dat aanwezig is in het bloed. Hemoglobine bestaat in twee vormen: oxyhemoglobine en deoxyhemoglobine. Oxyhemoglobine bevat zuurstof en is diagmagnetisch, dit wil zeggen dat het geen magnetisch moment heeft. Deoxyhemoglobine daarentegen bevat geen zuurstof en is paramagnetisch, dit wil zeggen dat het een significant magnetisch moment heeft. Volledig gedeoxygeneerd bloed heeft een magnetische susceptibiliteit die ongeveer 20% hoger ligt dan volledig geoxygeneerd bloed. Het inbrengen van een paramagnetisch object, in dit geval deoxyhemoglobine, in een magnetisch veld zorgt voor het uit fase brengen van de protonen, wat resulteert in een verval van de transversale magnetisatie (T2) (zie addendum 2). Dus omdat deoxygenatie van bloed de magnetische susceptibiliteit beïnvloedt (verhoogt), tonen MR-pulssequenties die gevoelig zijn aan T2*-effecten een sterker signaal op plaatsen waar het bloed rijk is aan oxyhemoglobine en een zwakker signaal op plaatsen waar het bloed rijk is aan 13

16 deoxyhemoglobine. Het verschil in een T2*-gewogen beeld als functie van de hoeveelheid deoxyhemoglobine wordt blood-oxygen-level dependent (BOLD) contrast genoemd. Het is dit BOLD contrast dat gebruikt wordt om functionele veranderingen in de hersenactiviteit te meten (6). Samengevat is het BOLD-contrast dus een consequentie van een serie indirecte effecten. De sensorische, motorische en cognitieve processen worden gerealiseerd door de integratie en signalering in groepen van neuronen. Bij neuronale activiteit is er een toename in de bloedstroom en zuurstoflevering om aan de metabolische vraag te kunnen voldoen (6, 7). Deze toename in de bloedstroom ontstaat door de vrijlating van vasoactieve substanties door actieve neuronen. De vasoactieve substanties diffunderen doorheen de extracellulaire ruimte en kunnen zo de omringende bloedvaten bereiken. Dit veroorzaakt een dilatatie van de bloedvaten, waardoor de weerstand van de bloedvaten afneemt en de bloedstroom toeneemt. Deze lokale verandering is echter niet voldoende om de bloedstroom te reguleren, aangezien de bloedstroom gecontroleerd wordt door hoge-weerstand arteriolen, die gelokaliseerd zijn ter hoogte van de pia mater (hersenvlies dat direct aansluit op het corticale oppervlak van de hersenen). Deze arteriolen liggen op een grotere afstand van de plaats van neuronale activatie. Daarom is een coördinatie tussen de lokale bloedstroomveranderingen, geïnduceerd door de neuronale activiteit en de opwaarts gelegen controle mechanismen, nodig. Stikstofmonoxide (NO) is een belangrijk substantie in de controle van de bloedstroom. NO wordt geproduceerd in de neuronen met behulp van stikstofmonoxide synthase (NOS). NOS wordt geactiveerd door de influx van calcium als een resultaat van het openen van N-methyl-D-aspartaat (NMDA) receptoren door glutamaat. NO zorgt voor zowel lokale als distale vasodilatatie doordat de gladde spieren rondom de arteriolen zich ontspannen. Gap juncties tussen de endotheliale cellen in de arteriën verspreiden de vasodilatatie respons opwaarts, wat zorgt voor een toename in de bloedstroom naar de grotere arteriën. Dus als respons op een sensorische stimulus dilateren de piale arteriën, wat resulteert in een toename van de bloedstroom. Dit is de autoregulatie van de bloedtoevoer naar specifieke gebieden in de hersenen (7). Omdat deze toename in bloedstroom groter is dan de toename in de metabolische vraag, leidt dit tot een overmaat aan geoxygeneerd bloed dat stroomt doorheen de actieve gebieden. Hierdoor zal een groot deel van het deoxyhemoglobine weggespoeld worden uit de capillairen. De vervanging van deoxyhemoglobine door oxyhemoglobine leidt, zoals eerder vermeld, tot een stijging van het MR-signaal. Deze zone met verhoogd MR-signaal wordt beschouwd als een beeld van en lokalisatie van neuronale activiteit. Maar omwille van de 14

17 overmaat aan geoxygeneerd bloed wordt slechts een deel van de zuurstofmoleculen opgenomen als brandstof, waardoor het overblijvende oxyhemoglobine-rijke bloed het veneuze systeem bereikt. De deoxyhemoglobine moleculen worden ook hier vervangen door oxyhemoglobine moleculen met als gevolg een stijging van het BOLD-signaal stroomafwaarts van de actieve neuronen. Dit heeft als nadeel dat bij f-mri een aantal geactiveerde gebieden een representatie zijn van de veneuze drainage en niet van de lokale neuronale activatie, waarbij dus rekening gehouden moet worden bij de interpretatie van f- MRI-beelden (6, 7) BOLD hemodynamische respons Een hemodynamische respons (HDR) is de verandering in het MR-signaal bij T2-beelden als gevolg van de lokale neuronale activiteit. De HDR is het resultaat van een daling in de hoeveelheid deoxyhemoglobine binnenin een voxel. De vorm van deze HDR-curve varieert naargelang de eigenschappen van de stimulus en de onderliggende neuronale activiteit. De corticale neuronale responsen komen binnen de tien milliseconden na een sensorische stimulus voor. De eerste zichtbare veranderingen in de HDR daarentegen treden pas op één à twee seconden na het begin van de stimulus. Er kan dus gesteld worden dat de HDR achterop loopt op de neuronale gebeurtenissen. Figuur 7 geeft een schematische voorstelling van een typische HDR-curve (6). Figuur 7: Schematische voorstelling van de BOLD HDR-curve. A, HDR van een enkele korte-duur stimulus; B, HDR van veelvoudige stimuli. (Huettel SA, Song AW, McCarthy G. BOLD fmri. Functional magnetic resonance imaging. Massachusetts U.S.A: Sinuauer Associates; p ) 15

18 Zoals eerder besproken resulteert de metabolische vraag bij een stijgende neuronale activiteit in een toename van geoxygeneerd bloed. Omdat er meer zuurstof aanwezig is dan opgenomen wordt door de neuronen, leidt dit tot een daling van het deoxyhemoglobine binnenin een voxel. Het BOLD-signaal begint echter pas te stijgen twee seconden na het begin van de neuronale activiteit. Het signaal bereikt zijn piek ongeveer vijf seconden na een korte-duur stimulatie. Wanneer de piek bereikt is, neemt het BOLD-signaal geleidelijk af en daalt zelfs tot onder het basisniveau. Dit wordt de poststimulus undershoot genoemd. Deze poststimulus undershoot ontstaat doordat de toegenomen bloedstroom sneller afneemt dan het toegenomen bloedvolume. Hierdoor stijgt de relatieve hoeveelheid deoxyhemoglobine binnenin een bepaalde voxel, hetgeen resulteert in een daling van het BOLD-signaal. Deze undershoot verdwijnt geleidelijk aan bij het normaliseren van het bloedvolume (6). Sommige onderzoekers melden ook de aanwezigheid van een initiële daling in het BOLDsignaal. Hypothetisch zou deze daling te wijten zijn aan de initiële zuurstofextractie voor de toename in bloedstroom. Deze initiële daling is echter niet altijd aanwezig (6). 16

19 4 Functionele magnetische resonantiebeeldvorming voor preoperatieve lokalisatie van eloquente hersenzones ten opzichte van hersentumoren: klinische implementatie en patiëntenstudie 4.1 Inleiding Heelkunde is de primaire behandelingsmodaliteit voor ruimte innemmende processen in de hersenen. Het tumoraal proces kan meestal goed worden afgelijnd door middel van beeldvorming, maar evenzeer is het van belang de eloquente gebieden van de hersenen, zoals de taal-, de sensorimotorische en de visuele gebieden, te lokaliseren ten opzichte van het tumoraal proces. De chirurgische benadering en de resectie van de tumor dienen namelijk uitgevoerd te worden zonder deze eloquente hersengebieden te schaden. Om deze hersengebieden enkel op anatomische beelden trachten te lokaliseren is onbetrouwbaar gebleken, dit wil zeggen niet betrouwbaar in vijfendertig procent van de patiënten, enerzijds omwille van de individuele variatie in de hersenen, anderzijds omdat de normale anatomische structuren verplaatst kunnen worden door het massa effect van de tumor (8). Functionele magnetische resonantie beeldvorming (f-mri) is momenteel de beeldvormingstechniek bij uitstek om deze eloquente hersengebieden te visualiseren (9,10,11). F-MRI wordt nu bijna enkel in universitaire centra toegepast, zowel voor psychologische als voor klinische onderzoeksdoeleinden. Gezien het grote aanbod van patiënten met hersentumoren in de dienst neurochirurgie van het Ziekenhuis Oost-Limburg (ZOL) te Genk, werd vanuit de dienst medische beeldvorming het initiatief opgevat f-mrionderzoeken aan te bieden voor deze patiënten. Het eerste doel van deze thesis was de klinische implementatie van f-mri voor de preoperatieve evaluatie van patiënten met hersentumoren. 4.2 Materiaal en methode In deze methode werd een uitgebreide beschrijving gegeven van de praktische uitvoering van het f-mri-experiment, de postprocessing van de verkregen data, en de patiëntenkeuze. Het f- MRI-experiment werd besproken aan de hand van de hardware set up, de magnetische resonantie (MR)-sequenties, de gebruikte paradigma's en de patiëntenvoorbereiding Het f-mri-experiment: hardware set up De data werden gegenereerd met een 1.5 T MR-eenheid (Symphony, Siemens, Erlangen, Duitsland). Het IFIS-SA-toestel (Invivo Corporation, Orlando, Florida) bestond uit twee 17

20 computereenheden die werden geplaatst in de controlekamer van de MR-eenheid. Dit toestel werd via een optische kabel verbonden met een video-apparaat en scherm dat boven op de hoofdantenne van de patiënt in de MR-eenheid werd geplaatst. Het IFIS-SA-toestel stond in voor de transmissie van instructies over de uit te voeren taken naar de patiënt in de MReenheid, voor de synchronisatie van deze transmissie met de sequenties van de MR-eenheid, en na het f-mri-experiment voor het verzamelen van alle MR-data, tijdsgegevens, en paradigmakeuzes. Voor bepaalde taken konden de handen van de patiënt in het MR-toestel verbonden worden met drukknoppen op een klein klavier, zodat de motorische reacties van de patiënt in de controlekamer konden gemonitord worden (zie figuur 8). A) B) Figuur 8: A, Patiënt geïnstalleerd in een symphony scanner voor de uitvoering van een f-mri onderzoek; B, IFIS-Sa toestel Het f-mri- experiment: MR-sequenties Tijdens hetzelfde onderzoek werden zowel anatomische MR-beelden van de hersenen als f- MR-beelden gegenereerd. Deze beide data werden tijdens de postprocessing samengevoegd om eloquente hersengebieden tesamen met pertinente anatomische structuren (ook het tumoraal proces) op eenzelfde beeld te visualiseren. Na de 'localizer' sequentie werd een (driedimensionele) magnetization-prepared rapidacquired gradient-echosequentie (MPRAGE) uitgevoerd bij voorkeur met inbegrip van de volledige schedel en het aangezicht tot aan de kin. Deze gradient-echo-t1-gewogen sequentie (TR/TE 1950/4.17 msec, flip angle 12, snededikte 1mm, sagittale oriëntatie) werd gebruikt voor het bekomen van een gedetailleerde anatomische weergave van de hersenen. De funtionele data werden gegenereerd door een blood-oxygen-level-dependend (BOLD) techniek met echo planar imaging (epi)-sequentie (TR/TE 3000/40 msec, flip angle 90, snededikte 3mm, transversale oriëntatie). Epi was een zeer snelle sequentie omdat alle echo's (TE) binnen eenzelfde repetitietijd (TR) worden gemeten, in plaats van één echo per repetitietijd. (Voor meer uitleg omtrent de TE en TR, zie addendum 2) Gezien de 18

21 hemodynamische respons (HDR) kon optreden vanaf één à twee seconden en piekt na ongeveer vijf seconden, was het van belang een zo kort mogelijk durende MR-sequentie (epi) te kiezen en repetitief uit te voeren om kleine verschillen in BOLD-contrast te kunnen detecteren bij het uitvoeren van de verschillende taken (paradigma's). De epi-boldsequentie duurde dus drie seconden en werd tien maal herhaald per blok Het f-mri-experiment: standaard paradigma's Een paradigma is een bepaald patroon (zogenaamd design) waarmee een bepaalde inhoud (de zogenaamde taak of oefening) aan de patiënt werd aangeboden. De keuze van het paradigma is belangrijk om een goed BOLD-contrast te genereren van een bepaald eloquent hersengebied (12). De taalgebieden werden gevisualiseerd door gebruik te maken van een woordvindingoefening, aangeboden in een blok design met activatie- en rustblokken; de visuele en sensorimotorische gebieden werden door een vingerdrukoefening en een knipperend zwart-wit ruitenbord aangeboden in een blokdesign met een afwisseling van deze activatieblokken en geen rustblokken. Dit waren voorbeelden van twee verschillende typen blokdesigns. Voor beide paradigma's duurde elk blok dertig seconden en er waren in totaal telkens acht blokken. Voor elk paradigma werd de epi-bold-sequentie gedurende vier minuten uitgevoerd. De eerste taak was de woordvindingoefening. Deze taak werd gebruikt wanneer de tumor zich in de buurt van de taalgebieden bevond. Deze taak werd ontworpen om de locatie van de zone van Broca, en indien mogelijk, de zone van Wernicke te visualiseren. Deze test was eveneens de meest betrouwbare test voor het bepalen van de taaldominante hemisfeer (13). De test bestond uit vier activatie- en vier rustblokken, die elkaar afwisselden. Tijdens het activatieblok kreeg de patiënt om de twee seconden een zelfstandig naamwoord op het videoscherm te zien. Voor elk woord diende de patiënt een werkwoord te verzinnen. Tijdens het rustblok kreeg de patiënt vier opeenvolgende haakjes (####) te zien, wat betekende dat de patiënt niets moest doen en dus passief in de scanner lag. Om artefacten door hoofdbewegingen te voorkomen was het belangrijk dat de patiënt enkel aan het werkwoord dacht en het dus niet uitsprak (zie figuur 9). 19

22 Figuur 9: Instructies voor de woordvindingoefening om de zone van Broca en de zone van Wernicke te stimuleren De tweede taak was de visueel-motorische test. Deze test werd uitgevoerd wanneer de tumor in de buurt van de visuele of sensorimotorische cortex gelokaliseerd was. Het uitvoeren van deze taak zorgde dus voor de stimulatie van de visuele en sensorimotorische cortex. De visueel motorische taak bestond uit vier visuele activatie- en vier motorische activatieblokken. Tijdens het visuele activatieblok kreeg de patiënt een knipperend zwart-wit ruiten bord met in het midden een rood kruisje dat af en toe verdween, te zien. Wanneer dit kruisje verdween moest de patiënt met beide wijsvingers op het klavier drukken. Dit zorgde ervoor dat de patiënt geconcentreerd naar het midden van het beeld bleef kijken. Deze taak zorgde voor de stimulatie van de visuele cortex. Tijdens de motorische conditie kreeg de patiënt cijfers van 1 tot 5 te zien. Deze cijfers werden afgewisseld met een kruisje. Het cijfer 1 stond voor de duimen, het cijfer 2 voor de wijsvingers, het cijfer 3 voor de middelvingers, het cijfer 4 voor de ringvingers en tenslotte het cijfer 5 voor de pinken. Dus wanneer één van deze 5 cijfers verscheen, moest de patiënt met de overeenstemmende vingers drukken op beide klavieren die bevestigd waren aan beide handen (zie figuur 10). Figuur 10: Instructies voor de visueel-motorische test voor de stimulatie van de visuele en motorische cortex 20

23 4.2.4 Het f-mri-experiment: patiëntvoorbereiding Bij het uitvoeren van een f-mri-experiment was het op de eerste plaats van groot belang dat de patiënt goed ingelicht werd over het onderzoek. Dit gebeurde tijdens een consultatiegesprek onmiddellijk voorafgaand aan het f-mri-experiment, met behulp van een powerpointpresentatie die alle belangrijke informatie omtrent het onderzoek bevatte. Wanneer de patiënt alle informatie gekregen had, werden de opdrachten gezamenlijk geoefend. Er werd eveneens gewezen op belangrijke punten voor het doen slagen van het onderzoek: hoofdbewegingen moesten vermeden worden, het belang van de inzet en de concentratie van de patiënt, het volledig onbelangrijk zijn van eventuele fouten bij het drukken op de knoppen van het klavier, enzovoort. Alle vragen van de patiënt werden beantwoord. In het geval van erg zieke of bejaarde patiënten was het soms nodig deze informatie meerdere malen door te nemen en de oefeningen herhaaldelijk samen uit te voeren. Voor patiënten met minder goed zicht werden aangepaste brilglazen gemonteerd in een plastic montuur (de bril van de patiënt was vaak ferromagnetisch en dus niet toegelaten in de MR-eenheid). Wanneer de patiënt voldoende voorbereid was en de scanner en het IFIS-SA-toestel in gereedheid gebracht waren, kon het onderzoek starten. De patiënt nam plaats op de tafel van het MR-toestel en het hoofd werd voldoende vastgemaakt in de hoofdantenne om hoofdbewegingen tijdens het onderzoek te voorkomen. De handen werden op het linker- en rechterklavier geplaatst (op de buik) voor het uitvoeren van de visueel-motorische taak (zie figuur 8A). Er werd eveneens nagegaan of de patiënt het videoscherm gemonteerd op de hoofdantenne, goed kon zien: dit is belangrijk om de instructies en de verschillende taken te kunnen zien. De patiënt kon nu in de buis van de MR-eenheid geschoven worden, waarna het f-mri-experiment kon starten. De gehele patiëntenvoorbereiding was zeer belangrijk om de slagingskansen van het onderzoek te doen toenemen: tijdens het f-mri-experiment diende de patiënt de oefeningen zo goed mogelijk zelfstandig uit te voeren De postprocessing of de verwerking van de data in Brainvoyager QX Bij het einde van het f-mri-experiment werden de anatomische data en de BOLD-signaaldata gegenereerd door de MR-eenheid via een file transferprotocol (ftp) naar het IFIS-SA-toestel gestuurd en samengevoegd met de tijdsdata en paradigmakeuze. De verwerking van de data gebeurde met het softwareprogramma Brainvoyager QX (Brain Innovation, Maastricht, Nederland). Brainvoyager QX werd gebruikt om de anatomische data, de BOLD-signaaldata, en de statistische bewerking van een f-mri-onderzoek te integreren tot een bruikbaar beeld van een bepaalde hersenfunctie (14). 21

24 De anatomische data en de BOLD-signaaldata werden via de MR-eenheid verkregen in een bepaald formaat, de DICOM-standaard. DICOM staat voor Digital Imaging and Communication in Medicine en was een globale informatie-technologische standaard die wereldwijd in bijna alle ziekenhuizen gebruikt werd. DICOM was ontworpen om de uitwisseling van beelden en digitale data tussen producten van verschillende medische firma s mogelijk te maken (15). Aangezien de DICOM-standaarden veel vrijheid boden in de benaming van de databestanden, werd in Brainvoyager QX een andere naam aan deze data bestanden gegeven om mogelijke problemen tijdens de data-import te vermijden (zie addendum 1: rename dicom files ) (14). In Brainvoyager QX werd een nieuw functionele MRI-dataset (FMR) project gecreëerd door de functionele DICOM-beelden te importeren. Wanneer de FMR aangemaakt was, moesten de tijdsgegevens van de stimulaties (afkomstig van het gekozen paradigma) door het IFIS-SAtoestel ingegeven worden in Brainvoyager QX. Deze gegevens werden verkregen via het stimulatieprotocol, waar de TDAT -files geïmporteerd konden worden. De geïmporteerde gegevens werden vervolgens verbonden aan de FMR-data. Na het inbrengen van de tijdsgegevens vond de preprocessing van de FMR-data plaats. Dit was een belangrijke stap voor het verbeteren van de statistische testen door het verwijderen van driften in het signaaltijdsverloop en door het verwijderen van hoofdbewegingartefacten. De meest gebruikte preprocessingopties waren 3D-bewegingscorrectie, slice-scan-time correctie en temporele filtering (14). Het doel van de 3D-bewegingscorrectie was het bijsturen van de snedeposities tussen de opeenvolgende BOLD-signaaldata binnen eenzelfde paradigma. Op deze wijze konden de signaaldata afkomstig van eenzelfde anatomische lokalisatie in de tijd gevolgd worden. Slice-scan-time correctie corrigeerde voor de precieze timing van elke epi-boldmeting met het begin en het einde van de blokken van het aangeboden paradigma. De temporele filtering zorgde voor een verbetering van de kwaliteit van de f-mri-data door het verbeteren van de functionele signal-to-noise-ratio. Temporele filters maakten dit mogelijk door het verwijderen van selectieve ruiscomponenten, zoals deze geïntroduceerd door (ritmische) fysiologische processen, en door het corrigeren van lage-frequentie scannerdrift (16). De anatomische DICOM-beelden, verkregen door een MPRAGE-sequentie, werden geïmporteerd in Brainvoyager QX als een anatomische 3D-dataset (VMR). Omdat de functionele data een lage spatiële resolutie en weinig anatomisch contrast hadden, was de volgende stap de coregistratie van de functionele en anatomische data. Hierbij werden de functionele data gesuperponeerd op de anatomische beelden met een hoge spatiële resolutie en hoge contrastresolutie. Dit gebeurde via een geautomatiseerd programma, dat optimale 22

25 resultaten gaf wanneer geen hoofdbewegingen plaatsvonden tussen de twee metingen. Indien deze bewegingen wel plaatsvonden werden ze manueel gecorrigeerd volgens drie rotatieassen en drie translatievlakken (14). Een ander belangrijk aspect was de normalisatie van de 3D-data (14). Normalisatie was de transformatie van MRI-data van het hoofd van een individu totdat de spatiële eigenschappen overeenkwamen met de spatiële eigenschappen van een standaardhoofd. Het normalisatieschema maakte gebruik van een stereotaxische ruimte (Talairachruimte). De Talairachruimte was gebaseerd op een simpel stereotaxtisch raam afgeleid van metingen van één enkel stel hersenen, namelijk dat van een oudere vrouw. In alle f-mri-experimenten werd deze Talairachruimte gebruikt als een standaardruimte voor het aanduiden van de locatie van de geactiveerde hersenregio s in een standaardmatrix (16). Na de anatomische transformatie, werd de functionele dataset getransformeerd in de Talairachruimte. Dit resulteerde in een volume time course (vtc) bestand, die de data van een corresponderend f-mri-project bevatte. Dit vtc-bestand moest vervolgens verbonden worden aan de genormaliseerde 3D anatomische dataset (14). De laatste stap in de verwerking van de 3D-functionele data was de statistische analyse, met behulp van het general linear model. Deze statistische analyse verliep geautomatiseerd in Brainvoyager QX. Met behulp van de Bonferronicorrectie voor multipele vergelijkingen werden Type I-fouten (vals positieve activatie in een voxel) geminimaliseerd, maar type IIfouten (vals negatief: geen activatie in een voxel die wel actief is) traden frequenter op. Wanneer al deze postprocessingstappen uitgevoerd waren, werden de geactiveerde voxels in eloquente hersengebieden zichtbaar als gekleurde activatiezones op een 'statistical parameter map' (14.) Addendum twee bevat een gedetailleerde handleiding die de verschillende stappen beschrijft voor de praktische verwerking van de beelden in Brainvoyager QX Klinische implementatie en onderzochte patiënten In de tijdsspanne van januari tot mei 2006 werden drieëntwintig patiënten (11 mannen, 12 vrouwen, gemiddelde leeftijd is 47 jaar, gaande van 15 tot 75 jaar) met een hersentumor of angiomateuze malformatie, verwezen door de diensten neurochirurgie van het ZOL in Genk en het Sint-Elisabethziekenhuis in Turnhout, geïncludeerd in deze studie. De reden van verwijzing betrof een preoperatieve oppuntstelling van een tumoraal letsel of angiomateuze malformatie in de nabijheid van een eloquent hersengebied. De klinische implementatie van het f-mri-onderzoek werd geëvalueerd op het vlak van praktische uitvoerbaarheid, interpreteerbaarheid van de resultaten, en klinisch belang van het 23

26 resultaat van het f-mri onderzoek in de preoperatieve oppuntstelling. Dit laatste werd beoordeeld op basis van de postoperatieve klinische toestand van de patiënt. 4.3 Resultaten Overzicht van de resultaten in de hele patiëntengroep De praktische uitvoering van het f-mri-experiment (patiëntvoorbereiding, aanbieden van paradigma en generen van MR-beelden) kon met succes worden afgerond in alle driëentwintig patiënten. Na de postprocessing bleken de resultaten van vier van de drieëntwintig patiënten niet interpreteerbaar (en dus klinisch niet bruikbaar) te zijn. De mogelijke redenen hiervoor worden verder in de discussie besproken. Het klinisch belang van het resultaat van het f-mri-onderzoek in de preoperatieve oppuntstelling had multipele aspecten, afhankelijk van de afstand tussen de tumor en de activatiezone van het eloquente hersengebied. Indien de tumor op meer dan twee centimeter van de activatie in het eloquente hersengebied gelegen was, kon een beslissing genomen worden tot heelkunde met totale resectie van de tumor. Bij negen patiënten (patiënt 3, 9, 10, 11, 12, 14, 19, 22, 23) toonde het f-mrionderzoek aan dat het eloquente hersengebied voldoende ver (>2cm) verwijderd was van de tumor en acht van deze negen patiënten werden reeds geopereerd. Zeven van deze negen patiënten hadden geen postoperatieve deficieten in de eloquente hersengebieden (spraakstoornissen, visuele problemen of motorische deficieten). Patiënt elf toonde postoperatief een tijdelijke discrete toename van de woordvindingsstoornissen, die nadien volledig is hersteld. Deze spraakstoornis was niet voorspeld bij het preoperatieve f-mrionderzoek. Patiënt tweeëntwintig werd op dit ogenblik nog niet geopereerd. Bij tien patiënten (patiënt 2, 4, 6, 7, 8, 13, 15, 16, 18, 21) bevond het eloquente hersengebied zich op minder dan twee centimeter van de tumor. Bij deze patiënten werd beslist een partiële resectie van de tumor uit te voeren, met de bedoeling de aanliggende eloquente hersengebieden te sparen. Zes (patiënt 2, 4, 8, 15, 18, 21) van de tien patiënten hadden postoperatief geen neurologische problemen. Drie patiënten (patiënt 6, 7, 16) vertoonden postoperatief tijdelijk of blijvende neurologische problemen. Patiënt zes had postoperatief beperkte gevoelsstoornissen ter hoogte van de vingertoppen en een lichte afname van de fijne motoriek. Patiënt zeven had de eerste dag na de operatie lichte woordvindingsmoeilijkheden met wat parafrasieën. Patiënt zestien tenslotte toonde postoperatief een beperkte anopsie van het linker onderste kwadrant van het oogveld. Bij patiënt dertien werd besloten de tumor niet chirurgisch te benaderen, omdat deze tumor precies gelegen was in de motorische cortex. 24

27 Van de vier patiënten met een niet-interpreteerbaar f-mri-onderzoek werden er twee niet geopereerd, namelijk patiënt 1 en 5. Eén patiënt werd geopereerd en had geen neurologisch deficiet (patiënt 20 met verbetering van de armparese) en één patiënt werd geopereerd met tijdelijk neurologisch deficiet, namelijk patiënt 17. Deze aantallen werden weergegeven in tabel 1. Tabel 1: Klinisch belang van het f-mri-onderzoek: f-mri-resultaat gecorreleerd met de postoperatieve bevindingen 23 patiënten met een hersentumor f-mri: klinisch niet bruikbaar (4 patiënten) f-mri: activatie zone > 2cm van tumor * (9 patiënten) f-mri: activatie zone < 2cm van tumor ** (10 patiënten) Geen chirurgie (4 patiënten) Chirurgie, geen neurologische deficiet (14 patiënten) Chirurgie, (tijdelijk) neurologisch deficiet (5 patiënten) * Heelkunde met volledige resectie van de tumor ** Heelkunde met volledige of partiële resectie van de tumor (tumorresidu tegenaan het eloquente hersengebied) Een uitgebreid overzicht van de symptomen, de aard en de lokalisatie van het letsel dat aanleiding gaf tot het uitvoeren van een f-mri-onderzoek, het uitgevoerde paradigma, het resultaat van het f-mri-experiment en de specifieke postoperatieve evaluatie van alle patiënten werden weergegeven in tabel 2. Tabel 2: Overzicht van de geïncludeerde patiënten met symptomatologie en aard van het letsel, het resultaat van het f-mri-experiment en de postoperatieve evaluatie Pt 1 Geslacht, Leeftijd en linksof rechtshandig Mannelijk 15 jaar Rechtshandig Symptomen Sinds 2-jarige leeftijd minder goed functionerende linker arm. Sinds 8-jarige leeftijd epileptische insulten Pathologie anatomische ligging Epileptische rechterhemisfeer (EEG): Vermoeden van corticale dysplasie F-MRI: paradigma en resultaat Visueel-motorische taak: niet bruikbaar resultaat Postoperatieve evaluatie Geen operatie 2 Mannelijk 48 jaar Rechtshandig Lichte tintelingen ter hoogte van linkerhand Recidief oligodendroglioma graad III rechts frontoparietaal gelegen Visueel-motorische taak: Motorische activatie onmiddellijk anterieur en superieur van het cystische letsel(<1cm) Goede algemene neurologische toestand, geen motorische uitval 3 Mannelijk 42 jaar Rechtshandig Epileptische insulten met onvolledig herstel van bewustzijn Laaggradig oligodendroglioma rechts parietotemporaal met uitbreiding tot in de basale ganglia Woordvindingoefening: Zone van Broca en Wernicke sterk links gelateraliseerd Geen epileptische insulten, geen hoofdpijn, normale spraakfunctie 25

28 4 Vrouwelijk 59 jaar Rechtshandig Spraakstoornis Hersentumor links temporo-occipitaal: glioblastoom met twee lokalisaties Woordvindingoefening: Zone van Broca unilateraal links, ver anterieur van het anterieure letsel. Zone van Wernicke unilateraal links, posterosuperieur van het anterieure letsel en superieur tot anterosuperieur van het posterieure letsel (>2cm) Visueel-motorische taak: Het posterieure letsel ligt posterieur van de rolandische zone & het anterieure letsel ligt onmiddellijk posterieur van het caudale uiteinde van de rolandische zone thv de insula Vergelijkbare status op niveau van de spraak in vergelijking tot preoperatief. Geen motorisch deficiet. 5 Vrouwelijk 60 jaar Rechtshandig Hoofdpijnklachten Arterioveneuze malformatie (AVM) links frontotemporaal Woordvindingoefening: Bizarre functionele activatie, vermoedelijk te wijten aan verstoorde bloedflow als gevolg van het AVM Operatie uitgesteld omwille van ander klinisch probleem 6 Mannelijk 32 jaar Linkshandig Linker sensorimotorisch hemibeeld; Griepaal gevoel, zonder koorts met hevige hoofdpijn gelokaliseerd rechts frontaal Hooggradig maligne hersentumor: type glioblastoma multiforme Hoog frontopariëtaal rechts Visueel-motorische taak: Motorische activatie aan de rand van, maar ook in de posterieure-caudale zijde van het letsel Beperkte gevoelsstoornissen ter hoogte van de vingertoppen en lichte afname van de fijne motoriek 7 Vrouwelijk 18 jaar Rechtshandig Reeds postoperatieve toestand. Residu en recidief tumor met progressief toenemende hoofdpijnklachten Uitgesproken tumoraal proces dat de helft van de linkerhemisfeer innam: pleiomorf xantho-astrocytoma Visueel-motorische taak: Motorische activatie anterieur van het operatiedefect en het residueel tumoraal weefsel Woordvindingoefening: Zone van Broca unilateraal links, zone van Wernicke anterolateraal van tumor (<1cm) Eerste dag na operatie: lichte woordvindingsmoeilijkheden met wat parafrasiëen, maar dit klaarde snel op 8 Mannelijk 42 jaar Rechtshandig Sinds 4 à 5jaar geheugenproblemen, sinds een half jaar klachten van oorsuizen en evenwichtsproblemen en paar keer kort amaurosis fugax in het linkeroog Zeer groot hypervasculair schedelbasismeningeoma links frontotemporaal met invasie van de orbita Visueel-motorische taak: Motorische activatie duidelijk posterieur van het tumoraal proces Woordvindingoefening: Zone van Broca bilateraal, links dominant, onmiddellijk craniaal en posterieur van het tumorale proces Blindheid in linkeroog tengevolge van de uitgevoerde embolisatie; geen spraakstoornis, geen motorisch deficiet 9 Vrouwelijk 51 jaar Rechtshandig Hoofdpijn, braken, duizeligheid, woordvindingsstoornissen en incontinentie Oligodendroglioom graad III links frontaal Woordvindingoefening: Zone van Broca bilateraal, links aan caudale zijde van het tumorale letsel Eerste dagen na ingreep emotioneel labieler, geen spraakstoornis 10 Mannelijk 68 jaar Rechtshandig Hoofdpijnklachten Graad III graad IV glioma links frontaal (geen definitieve diagnose) Woordvindingoefening: Zone van Broca bilateraal, links posterieur van het tumorale letsel Geen spraakstoornis 11 Mannelijk 75 jaar Rechtshandig Epilepsie en sensorische spraakstoornis Oligodendroglioma graad II links temporaal Woordvindingoefening: Zone van Broca links, geen rechtstreeks verband met het tumoraal letsel anterieur temporaal links Tijdelijk discrete toename van de woordvindingsstoornissen 26

29 Zone van Wernicke links, posterosuperieur van het letsel 12 Mannelijk 43 jaar Rechtshandig Epileptische aanval Laaggradige gliomatueze tumor hoog links frontaal Visueel-motorische taak: Motorische activatie duidelijk posterieur van het tumorale letsel (>2cm) Geen motorisch deficiet 13 Vrouwelijk 40 jaar Rechtshandig Epileptiforme aanvallen Caverneus angioom in de subcorticale witte stof frontopariëtaal links Visueel-motorische taak: Letsel gelegen in motorische activatie zone Geen operatie aangezien letsel zich in de motor cortex bevindt 14 Vrouwelijk 44 jaar Rechtshandig Hoofdpijn Metastase temporaal rechts Woordvindingoefening: Bilaterale Broca activatie, links dominant over rechts Radio- en chemotherapie geen spraakstoornis 15 Mannelijk 22 jaar Linkshandig Epileptisch insult Oligodendroglioma graad II links frontotemporaal Woordvindingoefening: Zone van Broca bilateraal, links dominant Aan linkerzijde zone van Broca anterieur van het tumorale letsel (<1cm) Partiële resectie, nabehandeling Geen spraakstoornis 16 Vrouwelijk 59 jaar Rechtshandig Klachten van vertigo Arterioveneuze malformatie (AVM) rechts parietaal Visueel-motorische taak: Motorische activatie duidelijk anterieur van het AVM Visuele activatie aan rechterzijde mediaal en caudaal van het AVM (<1cm) Beperkte linker onder kwandrant anopsie van het oogveld als gevolg van de embolisatie 17 Vrouwelijk 44 jaar Rechtshandig Toename van de epileptische problematiek met parese linkerarm Tumorrecidief: oligodendroglioma graad II Hoog frontaal rechts Niet bruikbaar Recuperatie van de forse parese van de arm 18 Mannelijk 65 jaar Rechtshandig Parese rechterbeen Ruimte innemend proces parasagittaal links in de precentrale gyrus Visueel-motorische taak: Posterieure rand van de tumor onmiddellijk anterieur en tegenaan de motorische activatie Geen motorische deficiet 19 Vrouwelijk 54 jaar Linkshandig Epilepsie, hoofdpijn, vermoeidheid Tumorrecidief graad II rechts frontotemporaal diffuse laaggradige tumorale infiltratie rond de tumorectomie Woorvindingoefening; Bilaterale Broca-activatie, links dominant Broca-activatie rechts in een insulaire sulcus posterieur van het tumorale proces Geen spraakstoornis 20 Vrouwelijk 54 jaar Rechtshandig Hoofdpijn Aneurysma dissecans van een temporale tak van de rechter arteria cerebri posterior met risico op ruptuur met bloeding Niet bruikbaar Voorbijgaande beperkte parese en gevoelsstoornissen in de vingers rechts 21 Mannelijk 40 jaar Als kind linkshandig maar nadien geleerd rechtshandig te functioneren Sinds een jaar periodische hoofdpijnklachten en intermittente afwezigheden, soms ook gepaard met fatische stoornissen Groot ruimteinnemend proces links frontaal; Glioma graad II Woordvindingoefening: Broca-activatie unilateraal links,onmiddellijk oppervlakkig van het tumoraal letsel Risico op fatische problemen postoperatief Onvolledige resectie uitgevoerd met sparen van de gyrus frontalis inferior; Normale spraak 27

30 22 Vrouwelijk 58 jaar Rechtshandig Epileptisch insult Tumoraal letsel occipitotemporaal links Woordvindingoefening: Broca-activatie links Wernicke-activatie craniaal van het tumorale letsel Operatie wordt nog gepland 23 Vrouwelijk 53 jaar Rechtshandig Epileptisch insult Glioblastoma multiforme, rechts temporaal tot insulair gelegen Woordvindingoefening: Zone van Broca bilateraal maar zeer sterk links dominant Broca-activatie rechts anterieur van het tumorale letsel Zone van Wernicke bilateraal, op meer dan 2cm van het letsel Geen spraakstoornis Ter illustratie van de bevindingen in deze tabel werden enkele patiënten hieronder verder besproken. Er werd een onderscheid gemaakt tussen patiënten met een tumor ter hoogte van de verschillende eloquente hersengebieden, namelijk de motorische cortex, de zone van Broca, de visuele cortex en de zone van Wernicke Patiënten met een letsel ter hoogte van de motorische cortex Een eerste voorbeeld van een patiënt met een tumor ter hoogte van de motorische cortex was patiënt twaalf. Deze mannelijke patiënt was drieënveertig jaar en werd verder geëvalueerd omwille van een epilepsie aanval. Een MRI-onderzoek toonde aan dat er een ruimteinnemend proces links frontaal aanwezig was (zie figuur 11). Een stereotactische biopsie bevestigde de diagnose van een laaggradig glioma. Tumor Figuur 11: Resultaat MRI-onderzoek (patiënt 12); ruimte-innemend proces links frontaal (axiaal beeld) Aangezien de tumor zich hoog frontaal bevond, was een f-mri-onderzoek nodig voor het lokaliseren van de motorische cortex, gebruik makend van het visueel-motorische paradigma. Het f-mri-onderzoek toonde aan dat de motorische cortex op meer dan twee centimeter posterieur van het tumorale letsel gelegen was (zie figuur 12). Een volledige resectie van het tumoraal letsel kon dus worden uitgevoerd en er was geen motorisch deficiet postoperatief. 28

31 Het klinisch belang van het f-mri-onderzoek bestond erin de chirurgische planning tot volledige resectie toe te laten. A) B) Rood/Geel: motorische activatie Tumor Figuur 12: Resultaat f-mri onderzoek (patiënt 12); motorische cortex op meer dan 2cm posterieur van het tumoraal letsel; A, axiaal beeld; B, coronaal beeld De volgende patiënt met een letsel dichtbij de motorische zone was patiënt achttien. Deze mannelijke patiënt was vijfenzestig jaar en presenteerde zich met een parese van het rechterbeen. Een MRI-onderzoek toonde een ruimte-innemend proces parasagittaal links op de frontopariëtale overgang gelegen (zie figuur 13). A) B) Tumor Figuur 13: Resultaat MRI-onderzoek (patiënt 18); ruimte-innemend proces parasagittaal links in de precentrale gyrus; A, axiaal beeld; B, sagittaal beeld Omdat de tumor zich in de buurt van de Rolandische zone bevond, was een f-mri-onderzoek noodzakelijk om de precieze ligging ten opzichte van de sensorimotorische cortex te bepalen. Het f-mri-onderzoek, uitgevoerd met het visueel-motorische paradigma, wees uit dat de tumor zich onmiddellijk anterieur van de motorische activatie bevond en dat deze niet duidelijk van de motorische cortex gescheiden kon worden (zie figuur 14). Om deze reden kon slechts een partiële resectie van het tumorale letsel worden uitgevoerd. Het tumorresidu 29